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Tipo: Dissertação
Título: Sensor hiperespectral para a predição de nitrogênio foliar, pigmentos e fotossíntese líquida na cultura do milho​
Autor(es): ALESSANDRA RODRIGUES DOS SANTOS
Primeiro orientador: Cid Naudi Silva Campos
Resumo: A predição de teor de nitrogênio foliar (NF), pigmentos e, fotossíntese líquida (A) em folhas de milho, por meio de dados hiperespectrais e modelos de aprendizagem de máquina (ML) pode se tornar ferramenta essencial no diagnóstico rápido dos efeitos das adubações nitrogenadas. Objetivou-se avaliar a acurácia dos algoritmos de ML na predição do teor de N, pigmentos e taxa fotossintética em plantas de milho, utilizando como base os dados hiperespectrais. A condução do experimento foi realizada na Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Câmpus Chapadão do Sul na 2ª safra de 2023. O delineamento experimental foi em blocos casualizados, em que os tratamentos consistiram de quatro doses de N: N1 (0%), N2 (30% - 54 kg ha-1 de N), N3 (60% - 108 kg ha-1 de N) e N4 (120% - 216 kg ha-1 de N). No estádio V6 foi realizada a análise espectral de seis amostras foliares de cada parcela utilizando espectrorradiômetro disponibilizando as faixas de 350 a 2500 nm. Obtido os comprimentos de onda, eles foram agrupados em médias de intervalos representativos em bandas. Além da determinação do conteúdo de N e pigmentos, foi realizada a análise de fotossíntese (A). Os dados foram submetidos aos modelos de ML: REPTree (DT), Árvore de Decisão M5P (M5P), Floresta Aleatória (RF), Redes Neurais Artificiais (RNA), Máquina de Vetor Suporte (SVM) e ZeroR (ZR) (controle). Foram testadas duas configurações de entrada: usando apenas os comprimentos de onda na predição das variáveis (ALL) e utilizando as bandas espectrais (SB). Como variáveis de saída foram utilizados: teor de NF, pigmentos (clorofila e carotenoides) e a variável fisiológica A. Como avaliação da acurácia dos algoritmos foram utilizados coeficiente de correlação de Pearson (r) e erro absoluto médio (MAE). O algoritmo SVM obteve o melhor desempenho com maior correlação (r) e menor erro absoluto médio (MAE) entre valores previstos e observados para todas as variáveis exceto carotenoides, com o valor do coeficiente de correlação (r) acima de 0,6, e o erro abaixo de 3,0. A árvore de decisão M5P prediz com eficiência todas as variáveis, exceto clorofila a, alcançando um valor de r em torno de 0,6 e o erro abaixo de 0,3. O algoritmo RF foi capaz de predizer o conteúdo de N, carotenoides e A, com valor de r em torno de 0,6. Esses três modelos teve uma melhor performance na predição das variáveis usando dados de banda hiperespectral. Dessa forma os algoritmos SVM, árvore de decisão M5P e RF apresentam-se eficazes na predição de teor de NF, pigmentos e A em milho, especialmente quando utilizou-se SB como dados de entrada. Palavras-chave: Aprendizagem de Máquina. Trocas Gasosas. Máquina de Vetor Suporte. Sensoriamento Remoto. Zea mays L.
Abstract: The prediction of leaf nitrogen (NF) content, pigments and net photosynthesis (A) in maize leaves using hyperspectral data and machine learning (ML) models could become an essential tool in the rapid diagnosis of the behavior of these pigments in the face of nitrogen fertilization. The aim was to evaluate the accuracy of ML algorithms in predicting N content, pigments and photosynthetic rate in maize plants, using hyperspectral data as a basis. The experiment was carried out at the Federal University of Mato Grosso do Sul, Câmpus Chapadão do Sul in the second harvest of 2023. The experimental design was randomized blocks, in which the treatments consisted of four doses of N: N1 (0%), N2 (30% - 54 kg ha-1 de N), N3 (60% - 108 kg ha-1 de N) and N4 (120% - 216 kg ha-1 de N). At the V6 stage, spectral analysis was carried out on six leaf samples from each plot using a spectroradiometer= providing the 350 to 2500 nm bands. Once the wavelengths had been obtained, they were grouped into averages of representative band intervals. In addition to determining N and pigment content, photosynthesis analysis was carried out. The data was submitted to ML models: REPTree (DT), M5P Decision Tree (M5P), Random Forest (RF), Artificial Neural Networks (ANN), Support Vector Machine (SVM) and ZeroR (ZR) (control). Two input configurations were tested: using only the wavelengths to predict the variables (ALL) and using the spectral bands (SB). The following were used as output variables: NF content, pigments (chlorophyll and carotenoids) and the physiological variable A. Pearson's correlation coefficient (r) and mean absolute error (MAE) were used to assess the accuracy of the algorithms. The SVM algorithm obtained the best performance with the highest correlation (r) and lowest mean absolute error (MAE) between predicted and observed values for all variables except carotenoids, with the value of the correlation coefficient (r) above 0.6, and the error below 3.0. The M5P decision tree efficiently predicts all variables except chlorophyll a, achieving an r value of around 0.6 and an error below 0.3. The RF algorithm was able to predict the content of N, carotenoids and A, with an r-value of around 0.6. These three models performed best in predicting the variables using hyperspectral band data. Thus, the SVM, M5P decision tree and RF algorithms were effective in predicting NF, pigment and A content in maize, especially when SB was used as input data. Keywords: Machine Learning. Gas Exchange. Support Vector Machine. Remote Sensing. Zea mays L.
Palavras-chave: Sensores, Predição, Nitrogênio, Milho.
País: Brasil
Editor: Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Sigla da Instituição: UFMS
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/9191
Data do documento: 2024
Aparece nas coleções:Programa de Pós-graduação em Agronomia (Campus de Chapadão do Sul)

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